高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用實踐探究

摘要：傳統(tǒng)供電系統(tǒng)存在遠程監(jiān)測不足、故障診斷滯后等問題，制約了高速公路供電的穩(wěn)定性和可靠性。智慧供電系統(tǒng)通過分層分布式架構(gòu)、智能監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)分析模塊及智能控制模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了供配電設(shè)施的實時監(jiān)控、故障預(yù)警與自動化管理。文章進一步分析高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用實踐，驗證其在提升供電效率、保障設(shè)備穩(wěn)定運行及降低能耗方面的顯著優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：高速公路機電工程；智慧供電系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)分析引言傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)依賴人工巡檢和簡單儀器診斷，存在響應(yīng)遲緩、隱患發(fā)現(xiàn)滯后等問題，難以滿足現(xiàn)代高速公路的智能化需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，智慧供電系統(tǒng)應(yīng)運而生，為高速公路供電管理提供了新的解決方案。本文旨在剖析傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的不足，闡述智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計理念與關(guān)鍵技術(shù)，并探究其在隧道、服務(wù)區(qū)等典型場景中的應(yīng)用效果，以期為高速公路機電工程的智能化升級提供參考。一、高速公路機電工程供電系統(tǒng)現(xiàn)狀剖析

1、傳統(tǒng)供電系統(tǒng)痛點?長期以來，基于上述電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點的傳統(tǒng)高速公路供電系統(tǒng)存在的缺陷已日漸凸顯出來，并成為制約其穩(wěn)定可靠運行的主要瓶頸之一。1)缺少完善的遠程在線監(jiān)測手段及裝置，基本依靠人工周期性地巡視檢查以獲得各種電氣參數(shù)(如溫度、壓力等)，很難做到“隨時掌握”供配電設(shè)施的工作狀況；而有些偏遠地區(qū)的收費站或服務(wù)區(qū)由于地理環(huán)境等因素限制，更需等待幾天乃至幾周才可完成一次現(xiàn)場巡查，這就使得很多微小的異常情況與隱含于其中的重大事故隱患都失去了早期發(fā)現(xiàn)的機會，從而增加了后期處理難度，同時也給供電安全帶來極大威脅。2)故障診斷技術(shù)落后，反應(yīng)遲緩。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則必須由專業(yè)人員通過觀察現(xiàn)象以及使用簡單儀器儀表進行測量來尋找故障點，確定故障性質(zhì)及其程度，最后再針對具體情況進行相應(yīng)的維修處置，不但費工費力，而且耗時長且準確性差。例如，在高速公路的收費系統(tǒng)中，若供電故障導(dǎo)致收費設(shè)備無法正常工作，將造成車輛擁堵，嚴重影響高速公路的通行效率[1]。

2、智慧供電系統(tǒng)

伴隨物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，為高速公路上智慧供電系統(tǒng)建設(shè)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。以“互聯(lián)網(wǎng)+”理念為基礎(chǔ)打造的智慧供電系統(tǒng)充分利用先進的信息感知及控制手段(包括物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云平臺、大數(shù)據(jù)以及人工智能等)構(gòu)建了全新的配電管理系統(tǒng)架構(gòu)，是傳統(tǒng)配電網(wǎng)向自動化、信息化、互動化方向發(fā)展的必然趨勢。它綜合運用現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)和通訊技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在供配電設(shè)施上集成各種類型傳感器裝置(比如:電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等等)，用于收集并傳遞大量供配電過程中的關(guān)鍵指標參數(shù)；再經(jīng)過無線通信網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的信息傳送至數(shù)據(jù)中心，由服務(wù)器集中處理后反饋到監(jiān)控終端顯示出來或者發(fā)送給用戶端。同時，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)從大量的歷史數(shù)據(jù)庫中獲取有用的數(shù)據(jù)信息來判斷當前的狀態(tài)或未來的發(fā)展趨勢；最后，采用云計算技術(shù)提供強大的運算能力和高效的存儲功能，使整個供電系統(tǒng)的運作更為順暢可靠。

二、智慧供電系統(tǒng)設(shè)計

1、系統(tǒng)架構(gòu)搭建

（1）分層分布式架構(gòu)

智慧供電系統(tǒng)采取了典型的“分層分布”式結(jié)構(gòu)體系，從下至上依次可分為:設(shè)備級(也稱現(xiàn)場級)、網(wǎng)絡(luò)級(也稱為監(jiān)控級)以及管理層三個層次。整個系統(tǒng)是一個典型的多級管理控制系統(tǒng)，每一級均承擔一定的任務(wù)，并與其他級別協(xié)調(diào)工作以完成整體控制目標。其中，設(shè)備級主要由大量嵌入式的智能檢測單元組成，相當于遍布于電力系統(tǒng)中的一個個“神經(jīng)系統(tǒng)”。該級別的智能監(jiān)測裝置可對電力系統(tǒng)相關(guān)電氣量進行實時在線監(jiān)視及故障診斷，具體而言，在變電站的高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的智能傳感元件，則可以通過它來獲得所處環(huán)境下的三相交流電電壓值Ua、Ub、Uc；三相交流電電流值Ia、Ib、Ic；有功功率P；無功功率Q；視在功率S；功率因數(shù)cosφ；頻率f等重要參數(shù)信息[2]。中間層:變電站/配電房，設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元(以下簡稱“DPU”)?！俺跫墧?shù)據(jù)處理中心”，完成現(xiàn)場終端收集的數(shù)據(jù)的初等運算及處理；完成數(shù)據(jù)選擇與剔除功能，將無效數(shù)據(jù)排除在外；完成數(shù)據(jù)的標準化轉(zhuǎn)換，使各類型的數(shù)據(jù)具有可比性；實現(xiàn)故障判別與告警等功能，例如檢測出某一回路的電流超出正常范圍時產(chǎn)生告警信息。

最上層是控制中心，在該層級部署了智能分析平臺，作為整個供電系統(tǒng)的大腦，基于大數(shù)據(jù)理念開展供電系統(tǒng)運行狀況的深入研究與應(yīng)用；通過采集并處理大量的歷史數(shù)據(jù)及當前在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建出供電設(shè)備的健康度評價體系，并對未來可能發(fā)生的故障進行預(yù)警提示以及提供預(yù)防性維修建議等；此外還可根據(jù)它還可以根據(jù)電網(wǎng)的負荷情況、用電需求等因素，優(yōu)化供電策略，實現(xiàn)電力資源的合理分配和高效利用。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)?采用工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialEthernet)作為網(wǎng)絡(luò)的主要通信手段。由于工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3標準的，因此它同商用以太網(wǎng)具有相同的技術(shù)基礎(chǔ)，并且從材料的選擇到產(chǎn)品強度和適用性方面充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的嚴苛環(huán)境，能夠滿足高速公路供電系統(tǒng)的高可靠性要求。?工業(yè)以太網(wǎng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，一般為10Mbps或更高(有的高達1000Mbps)，這樣就可以保證從各設(shè)備終端采集來的大量的數(shù)據(jù)能在很短的時間內(nèi)傳送到數(shù)據(jù)處理單元以及智能分析平臺上，從而滿足對信息及時性的要求；另外，在高速公路供配電系統(tǒng)中，收費所、服務(wù)區(qū)、隧道口等各種用電設(shè)施都分散于不同的位置，并且相距甚遠，因此工業(yè)以太網(wǎng)利用它自身具有的強大數(shù)據(jù)傳輸功能可使它們之間進行數(shù)據(jù)交換[3]。同時工業(yè)以太網(wǎng)還有多重冗余保護措施:例如環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)就是在整個網(wǎng)絡(luò)形成一個封閉回路，一旦其中一條鏈路發(fā)生故障，則數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)到其他鏈路上繼續(xù)傳送，而整個網(wǎng)絡(luò)可在幾毫秒之內(nèi)重新建立連接，即網(wǎng)絡(luò)不會中斷，所以這種結(jié)構(gòu)又稱為自愈式網(wǎng)絡(luò)。而在實際應(yīng)用當中如果使用光纖作為主干通道的話，還可以采用雙環(huán)冗余的方式，即每個節(jié)點均有兩個出口接入兩個獨立的子網(wǎng)，當其中一個鏈路出現(xiàn)問題的時候則另一個會馬上起作用。因為隧道內(nèi)的環(huán)境比較差，而且有較強的電場磁場存在，因而常常會出現(xiàn)斷線的情況，這時候采用環(huán)網(wǎng)冗余方式就顯得很有必要。再者就是工業(yè)以太網(wǎng)擁有各種通信協(xié)議的支持，比如TCP/IP、UDP等，這些協(xié)議能夠與不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備進行無縫對接，實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和兼容性。不同品牌的智能傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和智能分析平臺之間，通過統(tǒng)一的通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準確交互，避免了因設(shè)備不兼容而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸不暢問題。

2、核心模塊設(shè)計

（1）智能監(jiān)測模塊?以智能傳感為基礎(chǔ)的智能監(jiān)測模塊是整個智慧供電的核心部分，也是最基礎(chǔ)的部分。通過將大量的智能化傳感器安裝于供電設(shè)備的前端(包括電力電纜、變壓器以及配電箱/柜)來獲取電力設(shè)備的各種參數(shù)信息，并且利用計算機對各種感知信息進行處理后得到結(jié)果反饋給用戶或工作人員，在這個過程中需要大量基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息傳輸與交互作為支撐，最終實現(xiàn)對電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及控制功能。在變壓器方面，主要采用溫度傳感器、繞組變形傳感器、局放傳感器；其中溫度傳感器主要用于在線監(jiān)測變壓器的油溫和線圈的熱點溫度，若出現(xiàn)油溫過高或者熱點溫度超出設(shè)定值，則自動啟動報警裝置并通知相關(guān)人員進行維修；而繞組變形傳感器則是用來檢測變壓器繞組所處的實際狀態(tài)，如果出現(xiàn)了繞組變形的情況，則容易造成嚴重的事故例如短路等現(xiàn)象的發(fā)生；最后就是使用局放傳感器來進行對變壓器內(nèi)部存在的絕緣缺陷情況進行實時監(jiān)控，能夠判斷開關(guān)柜的供電是否正常，是否存在過壓、欠壓、過載等問題。

（2）數(shù)據(jù)處理與分析模塊?數(shù)據(jù)處理與分析模塊作為整個智慧供電系統(tǒng)的核心大腦部分，其主要包括了數(shù)據(jù)處理單元以及智能分析平臺兩大部分，用于實現(xiàn)對智能監(jiān)測模塊中所獲取的海量信息進行全面深入地發(fā)掘及分析工作，并以此為基礎(chǔ)來輔助完成對電力供應(yīng)系統(tǒng)的智能化管理調(diào)度。其中數(shù)據(jù)處理單元主要用于完成對于原始信息的基本預(yù)處理操作:首先是針對原始數(shù)據(jù)進行了簡單的清理操作(即去噪)，如剔除掉那些由于傳感器自身原因或是通訊過程受到干擾而產(chǎn)生的非正常數(shù)值；其次是對原始數(shù)據(jù)進行了標準化的操作(即將不同時刻、不同位置處獲得的不同規(guī)格形式的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為一個統(tǒng)一標準的形式)，以便于后期對于這些數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用分析[24]。此外還應(yīng)注意的是，在此階段內(nèi)還應(yīng)對某些重要特征參數(shù)(例如電能質(zhì)量)開展相應(yīng)的實時在線監(jiān)測工作。智能分析平臺主要是基于當前的大數(shù)據(jù)技術(shù)，對整體的電力供應(yīng)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況展開更深層次的全面剖析。在此過程中需要借助多種多樣的數(shù)據(jù)分析建模方法和技術(shù)手段，挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系和規(guī)律，為制定差異化的供電策略提供參考。

（3）智能控制模塊?智能控制模塊是整個智慧電力監(jiān)控與管理網(wǎng)絡(luò)中的一個功能節(jié)點，其主要作用就是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進行相關(guān)的操作和控制(主要是開關(guān)量輸出)，由智能控制終端來完成具體的控制工作。當智能分析平臺檢測到有部分區(qū)域出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象之后就會及時發(fā)出相應(yīng)的命令給智能控制終端；而后者則會按照事先設(shè)定好的程序來操控相關(guān)的調(diào)壓裝置比如可以調(diào)節(jié)配電變壓站中變壓器的抽頭位置或改變它的匝數(shù)比等等以達到調(diào)節(jié)電壓的目的，使得電壓恢復(fù)正常水平。另外如果發(fā)生了緊急事故的話也可以利用智能控制模塊來進行電源之間的切換。而在那些比較重要的高速公路上的服務(wù)區(qū)因為要保證24小時不間斷地工作，所以都在一些重要的高速公路服務(wù)區(qū)，為了保障不間斷供電，配備柴油發(fā)電機作為備用電源。當市電中斷時，智能控制模塊能夠迅速啟動柴油發(fā)電機，并將負載平穩(wěn)地切換到發(fā)電機上，保證服務(wù)區(qū)內(nèi)的照明、餐飲、加油等設(shè)備的正常運行[4]。

三、高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的應(yīng)用實踐探究

1、隧道智慧供電隧道智慧供電作為高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的典型場景應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、分布式能源和智能控制等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行融合，構(gòu)建面向隧道內(nèi)的照明、風機、監(jiān)控以及應(yīng)急類設(shè)備的高效、可靠的低碳化電力供應(yīng)保障體系[16]。目前傳統(tǒng)的隧道供配電存在能耗水平較高且不可控；停電后恢復(fù)時間長，影響通行效率；維護工作量較大，人力成本高等問題。隧道智慧供電系統(tǒng)通過對隧道內(nèi)部環(huán)境參數(shù)(包括但不限于車流密度、照度值、CO濃度等)、各用電設(shè)施的狀態(tài)信息進行實時采集和傳輸處理，并根據(jù)上述信號綜合決策來調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的照明強度和風機轉(zhuǎn)速以適應(yīng)當前實際需求，同時采用光伏發(fā)電+蓄電池組的新型供電方式取代原有的全部由外網(wǎng)提供的三相交流電的供電方案，能夠有效減小隧道內(nèi)外網(wǎng)之間的耦合程度進而大幅節(jié)約能量消耗并且消除大量不必要的損耗。

2、服務(wù)區(qū)與收費站供電優(yōu)化

服務(wù)區(qū)與收費站供電系統(tǒng)的優(yōu)化也是高速公路智慧供電系統(tǒng)的一部分，在服務(wù)區(qū)建設(shè)中可以將分布式發(fā)電(Photovoltaic)、智能微網(wǎng)(Smartmicrogrid)以及柔性可控負荷(Dynamicloadcontrol)等多種先進技術(shù)有機地結(jié)合起來，從而達到提高供電效率的目的，并且這種供配電方式具有較高的穩(wěn)定性，能夠有效保證高速公路上的服務(wù)區(qū)和收費站的安全可靠供電。為了提高新能源利用效率和電網(wǎng)穩(wěn)定性，在車流高峰期通過動態(tài)負荷預(yù)測實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的調(diào)峰作用；而在夜間或者有雨天等情況下可以為收費廣場ETC系統(tǒng)以及服務(wù)區(qū)內(nèi)制冷制熱設(shè)備、安防監(jiān)控系統(tǒng)等負載提供應(yīng)急備電支撐。針對電動汽車普及趨勢，智慧供電系統(tǒng)還可集成快充樁智能調(diào)度功能，結(jié)合分時電價策略優(yōu)化充電計劃，避免變壓器過載并降低用電成本。

3、全程監(jiān)控設(shè)備供電保障全程監(jiān)控設(shè)備供電保障為高速公路智慧供電系統(tǒng)的重點內(nèi)容之一，其主要目的是通過建立多級次、高可靠性的電力支持系統(tǒng)來保證各子系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控、氣象監(jiān)測和交通誘導(dǎo)等重要設(shè)備能夠安全可靠地在任何時間、任意地點正常運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備供電方式存在如下問題:一是線路損耗嚴重；二是遠程站點易受天氣影響導(dǎo)致供電不穩(wěn)定；三是發(fā)生故障后維修困難且耗時較長等問題[5]。“市電+新能源+儲能”混合式電源構(gòu)成的供電網(wǎng)絡(luò)是高速公路沿線綜合信息采集點(即監(jiān)控攝像機)的主要供配電方案，該方案在普通路段可利用智能化配電柜對交流負載進行精確調(diào)壓并具備防雷功能；而在偏僻地區(qū)則需安裝太陽能光伏板、風力發(fā)電機以及帶有充電/放電管理及能量存儲等功能的模塊化儲能電池組，并借助于電力線載波通訊將供電狀況反饋至中心控制室，系統(tǒng)創(chuàng)新性地引入動態(tài)功率匹配算法，根據(jù)設(shè)備工作模式（如夜間補光開啟時）自動調(diào)整輸出功率，避免線路過載或電能浪費。

結(jié)束語智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用為高速公路機電工程帶來了革命性變革，通過實時監(jiān)測、智能分析和自動化控制，顯著提升了供電系統(tǒng)的可靠性與能效。智慧供電系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)供電模式的痛點，還在隧道、服務(wù)區(qū)等場景中展現(xiàn)出顯著的節(jié)能優(yōu)勢和運維便利性。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，智慧供電系統(tǒng)將進一步融合人工智能與新能源技術(shù)，推動高速公路機電工程向更高效、更綠色的方向發(fā)